Termoelementy: Zasada działania i zastosowanie

Termoelementy to termometry, które są szeroko stosowane w przemysłowych pomiarach temperatury. Szczególnie nadają się do pomiaru wysokich temperatur. Ale jak działają termoelementy? Jak można mierzyć temperaturę za pomocą dwóch prostych przewodów? Kluczem do zrozumienia jest efekt Seebecka.

Podłoże teoretyczne

Efekt Seebecka, po raz pierwszy opisany w 1821 roku przez Thomasa Johanna Seebecka, to zjawisko polegające na tym, że słaby prąd elektryczny płynie w obwodzie składającym się z dwóch różnych przewodników, gdy złącza przewodników mają różne temperatury. To połączenie przewodników nazywa się termoelementem lub termoparą.

Efekt Seebecka

Aby zrozumieć efekt Seebecka, możemy rozważyć pojedynczy przewodnik elektryczny. Wewnątrz przewodnika znajdują się atomy, między którymi poruszają się swobodne elektrony. W stanie równowagi termicznej swobodne elektrony są równomiernie rozłożone w przewodniku.

Jeśli jednak ciepło zostanie doprowadzone do jednej strony przewodnika, prędkość swobodnych elektronów w tym miejscu wzrośnie. Zwiększona prędkość elektronów wypycha je na chłodniejszy koniec przewodnika. W tym chłodnym miejscu powstaje środek ciężkości ładunku.

Jednak sam ten efekt nie umożliwia powtarzalnego pomiaru temperatury, ponieważ jest silnie zależny od temperatury i nie oferuje stałej relacji między temperaturą a napięciem.

Zastosowanie efektu Seebecka

Aby osiągnąć powtarzalny pomiar temperatury, można użyć dwóch różnych metali o różnym zachowaniu elektronów w odniesieniu do temperatury. Jeśli te metale są połączone i istnieje różnica temperatur między punktami połączeń, powstają różne środki ciężkości ładunku i mierzalne napięcie termoelektryczne.

Przykładem termoelementu jest termoelement typu N, składający się z NiCrSi i NiSi. Przy różnicy temperatur między punktami styku dwóch przewodników powstaje mierzalne napięcie termoelektryczne, które można zmierzyć woltomierzem.

Ważne są dwa warunki:

1. Oba przewody muszą być ze sobą połączone.
2. Musi istnieć różnica temperatur między punktami połączeń T1 i T2.

Typowe typy termoelementów

Termoelementy występują w różnych typach, z których każdy charakteryzuje się kombinacją materiałów swoich przewodów. Każdy typ ma swoje własne zalety i wady, a także specyficzne obszary zastosowań. Oto niektóre z najczęściej używanych typów termoelementów:

• Typ B (platyna-rod/platyna):
  • Zakres temperatur: 0°C do 1.800°C
  • Wysoka dokładność temperatury
• Typ E (nikiel-chrom/konstantan):
  • Zakres temperatur: -270°C do 1.000°C
  • Wysokie napięcie termoelektryczne i dobra dokładność
• Typ J (żelazo/konstantan):
  • Zakres temperatur: -210°C do 1.200°C
  • Nie nadaje się do atmosfer utleniających powyżej 550°C
• Typ K (nikiel-chrom/nikiel-alumel):
  • Zakres temperatur: -200°C do 1.260°C
  • Szeroki zakres temperatur i niski koszt
• Typ N (nikrosil/nisil):
  • Zakres temperatur: -270°C do 1.300°C
  • Lepsza stabilność termiczna i odporność na utlenianie niż typ K
• Typ R (platyna-rod/platyna):
  • Zakres temperatur: -50°C do 1.760°C
  • Wysoka dokładność temperatury
• Typ S (platyna-rod/platyna):
  • Zakres temperatur: -50°C do 1.760°C
  • Podobny do typu R, często stosowany w przemyśle szklarskim i ceramicznym
• Typ T (miedź/konstantan):
  • Zakres temperatur: -270°C do 400°C
  • Dobry dla niskich temperatur, stabilny w atmosferach utleniających

Oznaczenia kolorami mini-wtyczek

Termoelementy są obecnie nieodzownymi elementami wielu zastosowań przemysłowych i badań naukowych. Ich zdolność do precyzyjnego i niezawodnego pomiaru temperatur czyni je ważnym narzędziem. Prawidłowa identyfikacja termoelementów ma zasadnicze znaczenie dla poprawnego pomiaru temperatury.

Jednym ze sposobów jest sprawdzenie koloru wtyczek i izolacji (kody kolorów). Z biegiem lat opracowano wiele różnych typów, które składają się z różnych kombinacji materiałów. Aby umożliwić wyraźne rozróżnienie, różne typy zostały oznaczone kolorami identyfikacyjnymi. Te kombinacje kolorów są przedstawione w tabelach kolorów. Należy jednak pamiętać, że istnieją różne kody kolorów dla różnych krajów, na przykład sklasyfikowane zgodnie z „IEC” (International Electrotechnical Commission), „BS” (British Standard) lub „ANSI” (American National Standards Institute).

Przykładem różnic w kodowaniu kolorami jest typ R. Zgodnie z normą IEC ma on izolację w kolorze pomarańczowym, podczas gdy zgodnie z normą BS jest oznaczony kolorem zielonym. Te różnice mogą prowadzić do zamieszania, zwłaszcza jeśli używane są termoelementy z różnych krajów. Dlatego ważne jest, aby znać i uwzględniać odpowiednie normy.

Poniżej przedstawiono niektóre popularne typy i ich odpowiednie kody kolorów:

Typ K: IEC – zielony; BS – żółty; ANSI – żółty
Typ J: IEC – czarny; BS – biały; ANSI – biały
Typ T: IEC – brązowy; BS – niebieski; ANSI – niebieski
Typ E: IEC – fioletowy; BS – fioletowy; ANSI – fioletowy
Typ N: IEC – różowy; BS – pomarańczowy; ANSI – pomarańczowy

Odchyłki graniczne termoelementów

Odchyłki graniczne odnoszą się do maksymalnego błędu lub niedokładności, która może wystąpić podczas pomiaru temperatury za pomocą termoelementu.

Odchyłka graniczna jest określona w normie IEC 60584 dla termoelementów i określa maksymalny dopuszczalny błąd, który może wystąpić podczas pomiaru temperatury, aby nadal był zgodny z normą. Odchyłka graniczna jest podawana jako bezwzględna wartość temperatury (np. ±1°C), a w wyższym zakresie temperatur jako procent mierzonej temperatury.

Istnieją różne klasy termoelementów, z których każda ma różne odchyłki graniczne. Oto kilka przykładów:

• Klasa 1: Te termoelementy mają najmniejsze odchyłki graniczne i są używane do precyzyjnych pomiarów.
• Klasa 2: Są one nieco mniej dokładne niż klasa 1, ale nadal są używane w wielu zastosowaniach.
• Klasa 3: Mają one największe odchyłki graniczne i są używane w zastosowaniach, w których dokładność jest mniej krytyczna.

Ważne jest, aby pamiętać, że na rzeczywistą wydajność termoelementu wpływają również inne czynniki, takie jak jakość użytych materiałów, konstrukcja termoelementu i warunki, w jakich jest używany. Dlatego ważne jest, aby prawidłowo określić i używać termoelementu, aby upewnić się, że pomiary mieszczą się w oczekiwanych odchyłkach granicznych.

Odchyłka graniczna Typ K

Odchyłka graniczna Typ N

Odchyłka graniczna Typ R

Odchyłka graniczna Typ S

Efekt K termoelementów typu K

Termoelementy typu K, składające się z termopar NiCr i NiAl, są szeroko stosowane w przemyśle i oferują wiele zalet dzięki ich zdolności do pracy w ekstremalnie szerokim zakresie temperatur (-270°C do 1372°C) i wysokiej czułości w temperaturach istotnych dla przemysłu. Jednak nie są one wolne od wad, szczególnie w określonym zakresie temperatur. Jest to tak zwany „efekt K”.

Podłoże teoretyczne:
Chociaż termoelementy typu K mogą być używane w bardzo szerokim zakresie temperatur, w życiu codziennym są one niezawodne tylko poniżej 250°C lub powyżej 600°C. Wynika to ze szczególnego zjawiska, znanego jako efekt K lub stan typu K.

Efekt K:
Noga NiCr termoelementu typu K wykazuje uporządkowane ułożenie w siatce krystalicznej poniżej 400°C. Gdy element zostanie podgrzany powyżej tego punktu, między 400°C a 600°C następuje przejście do stanu nieuporządkowanego. Dopiero powyżej 600°C siatka ponownie się porządkuje.

Zbyt szybkie chłodzenie prowadzi jednak do problemów. Przy szybkości chłodzenia większej niż ok. 100°C na godzinę siatka krystaliczna nie przekształca się zgodnie z oczekiwaniami i pozostaje w stanie nieuporządkowanym. Może to prowadzić do błędu napięcia termoelektrycznego do 0,8 mV, co odpowiada odchyleniu około 5°C.

Co ciekawe, ten efekt K jest odwracalny. Poprzez tak zwane wyżarzanie w temperaturach powyżej 700°C i późniejsze wolniejsze chłodzenie, siatkę można w dużej mierze przywrócić do jej pierwotnego stanu.

Znaczenie dla przemysłu:
Ze względu na ten efekt K, termoelementy typu K nie nadają się do pomiarów między 250°C a 600°C, w których temperatura szybko się zmienia. W tym zakresie mogą wykazywać bardzo duże i niepowtarzalne błędy, często rzędu 2°C do 10°C.

Końcowe przemyślenia:
Chociaż termoelementy typu K są szeroko stosowane w przemyśle ze względu na ich wiele zalet, takich jak duży zakres temperatur roboczych i ich ekonomiczność, ich zakres zastosowań musi być starannie rozważony. W szczególności brak niezawodności w zakresie od 250°C do 600°C z powodu efektu K może prowadzić do znaczących błędów pomiarowych.

Zaleca się rozważenie alternatyw, takich jak termoelement typu N (NiCrSi-NiSi), który dzięki stopowaniu obu nóg krzemem jest mniej podatny na ten efekt bliskiego porządku.

Podsumowanie

Termoelementy to proste, ale wydajne instrumenty do pomiaru temperatury. Bazują na efekcie Seebecka i generują mierzalne napięcie, które zależy od temperatury. Ta technologia znalazła szerokie zastosowanie w przemyśle i badaniach i oferuje niezawodną metodę pomiaru temperatury, szczególnie w wysokich temperaturach.

Źródła:

• Frank Bernhard: Handbuch der Technischen Temperaturmessung, 2. Auflage
• Thomas Klasmeier: Tablice „Temperatura”, wydanie 3